Двойной слой (физика плазмы) - Double layer (plasma physics)

Эта статья о структуре в физике плазмы. Чтобы узнать о других значениях, см. Двойной слой .

Двойной слой представляет собой структуру в плазме , состоящей из двух параллельных слоев противоположного электрического заряда. Слои заряда, которые не обязательно являются планарными, вызывают локальные колебания электрического потенциала , что приводит к относительно сильному электрическому полю между слоями и более слабым, но более обширным компенсирующим полям снаружи, которые восстанавливают глобальный потенциал. Ионы и электроны в двойном слое ускоряются, замедляются или отклоняются электрическим полем в зависимости от направления их движения.

Двойные слои могут быть созданы в газоразрядных трубках , где внутри слоя обеспечивается постоянная энергия для ускорения электронов с помощью внешнего источника энергии. Утверждается, что двойные слои наблюдались в полярных сияниях и используются в астрофизических приложениях. Точно так же двойной слой в авроральной области требует некоторого внешнего драйвера для ускорения электронов.

Двойные электростатические слои особенно распространены в плазме с током, и они очень тонкие (обычно десятки дебаевских длин ) по сравнению с размерами плазмы, которая их содержит. Другие названия двойного слоя - электростатический двойной слой, двойной электрический слой, двойные слои плазмы. Термин «электростатический удар» в магнитосфере применялся к электрическим полям, ориентированным под углом к магнитному полю таким образом, что перпендикулярное электрическое поле намного сильнее, чем параллельное электрическое поле. В лазерной физике двойной слой представляет собой иногда называют амбиполярным электрическим полем.

Двойные слои концептуально связаны с концепцией «оболочки» ( см. Оболочку Дебая ). Ранний обзор двойных слоев из лабораторных экспериментов и моделирования предоставлен Торвеном.

Классификация

Формирование двойного слоя. Для образования двойного слоя требуется, чтобы электроны перемещались между двумя соседними областями (диаграмма 1, вверху), вызывая разделение зарядов. Это может привести к дисбалансу электростатического потенциала (Диаграмма 2, внизу).

Двойные слои можно классифицировать следующим образом:

  • Слабые и крепкие двойные слои. Прочность двойного слоя выражается как отношение падения потенциала по сравнению с эквивалентной тепловой энергией плазмы или по сравнению с энергией массы покоя электронов . Двойной слой считается прочным, если падение потенциала внутри слоя превышает эквивалентную тепловую энергию компонентов плазмы.
  • Релятивистские или нерелятивистские двойные слои. Двойной слой называется релятивистским, если падение потенциала внутри слоя сравнимо с энергией массы покоя (~ 512 кэВ) электрона. Двойные слои такой энергии обнаруживаются в лабораторных экспериментах. Плотность заряда низкая между двумя противоположными областями потенциала, и двойной слой в этом отношении аналогичен распределению заряда в конденсаторе .
  • Двойные слои с током. Эти двойные слои могут быть созданы управляемыми током неустойчивостями плазмы, которые усиливают изменения плотности плазмы. Одним из примеров этих нестабильностей является неустойчивость Фарли – Бунемана , которая возникает, когда скорость потока электронов (в основном плотность тока, деленная на плотность электронов) превышает тепловую скорость электронов в плазме. Это происходит в столкновительной плазме с нейтральным компонентом и вызывается дрейфовыми токами.
  • Бестоковые двойные слои. Они возникают на границе между областями плазмы с различными свойствами плазмы. Плазма может иметь более высокую температуру электронов и тепловую скорость на одной стороне пограничного слоя, чем на другой. То же самое может относиться к плотности плазмы. Обмен заряженными частицами между областями может способствовать поддержанию разницы потенциалов между ними локально. Общая плотность заряда, как и во всех двойных слоях, будет нейтральной.

Потенциальный дисбаланс будет нейтрализован миграцией электронов (1 и 3) и ионов (2 и 4), если градиенты потенциала не поддерживаются внешним источником энергии. В большинстве лабораторных ситуаций, в отличие от условий космического пространства , заряженные частицы могут эффективно возникать в двойном слое за счет ионизации на аноде или катоде и удерживаться.

На рисунке показано локализованное возмущение потенциала, создаваемое идеализированным двойным слоем, состоящим из двух противоположно заряженных дисков. Возмущение равно нулю на расстоянии от двойного слоя во всех направлениях.

Если падающая заряженная частица, такая как высыпающийся авроральный электрон, встречает такую ​​статическую или квазистатическую структуру в магнитосфере, при условии, что энергия частицы превышает половину разности электрических потенциалов в двойном слое, она пройдет без какого-либо чистого изменения энергии. . Падающие частицы с меньшей энергией также не будут испытывать чистого изменения энергии, но будут претерпевать большее общее отклонение.

DL Surface Plot.jpg

Можно выделить четыре отдельные области двойного слоя, которые влияют на заряженные частицы, проходящие через него или внутри него:

  1. Положительная потенциальная сторона двойного слоя, где электроны ускоряются по направлению к нему;
  2. Положительный потенциал в двойном слое, в котором электроны тормозятся;
  3. Отрицательный потенциал в двойном слое, где электроны тормозятся; а также
  4. Сторона с отрицательным потенциалом двойного слоя, где ускоряются электроны.

Двойные слои будут иметь тенденцию быть временными в магнитосфере, поскольку любой дисбаланс зарядов будет нейтрализован, если только не будет постоянного внешнего источника энергии для их поддержания, как в лабораторных условиях.

Механизмы формирования

Детали механизма образования зависят от окружающей среды плазмы (например, двойные слои в лаборатории, ионосфера , солнечный ветер , ядерный синтез и т. Д.). Предлагаемые механизмы их образования включали:

  • 1971: Между плазмой разной температуры
  • 1976: В лабораторной плазме
  • 1982: Нарушение нейтрального токового слоя
  • 1983: Инжекция ненейтрального электронного тока в холодную плазму
  • 1985: Увеличение плотности тока в плазме
  • 1986: В аккреционной колонне нейтронной звезды
  • 1986: Пинчем в областях космической плазмы
  • 1987: В плазме, сдерживаемой магнитным зеркалом
  • 1988: Электрический разряд
  • 1988: Нестабильности, вызванные током (сильные двойные слои)
  • 1988: Электронные лучи, выброшенные космическим аппаратом
  • 1989: От ударных волн в плазме
  • 2000: Лазерное излучение
  • 2002: Когда продольные токи магнитного поля встречаются с полостями плотности
  • 2003: По падению плазмы на темную сторону поверхности Луны. Смотрите картинку.

Особенности и характеристики

Луны. Предсказание о двойном лунном слое подтвердилось в 2003 году. В тени Луна отрицательно заряжается в межпланетной среде.
  • Толщина : для изготовления двойного слоя требуются области со значительным избытком положительного или отрицательного заряда, то есть там, где квазинейтральность нарушается. Вообще говоря, квазинейтральность может быть нарушена только в масштабах длины Дебая . Толщина двойного слоя порядка десяти дебаевских длин, что составляет несколько сантиметров в ионосфере , несколько десятков метров в межпланетной среде и десятки километров в межгалактической среде .
  • Распределение электростатического потенциала : как описано выше в разделе о классификации двойного слоя, в двойном слое фактически есть четыре отдельных участка, в которых поступающие заряженные частицы будут ускоряться или замедляться по своей траектории. Внутри двойного слоя два противоположных распределения заряда будут нейтрализованы внутренним движением заряженных частиц.
  • Поток частиц : для нерелятивистских токоведущих двойных слоев электроны несут большую часть тока. Условие Ленгмюра гласит, что отношение электронного и ионного тока через слой дается квадратным корнем из отношения масс ионов к электронам. Для релятивистских двойных слоев коэффициент тока равен 1; т.е. ток в равной степени переносится электронами и ионами.
  • Энергоснабжение : мгновенное падение напряжения на двойном токопроводящем слое пропорционально общему току и аналогично падению на резистивном элементе (или нагрузке), который рассеивает энергию в электрической цепи. Двойной слой не может сам по себе обеспечивать чистую энергию.
  • Стабильность : двойные слои в лабораторной плазме могут быть стабильными или нестабильными в зависимости от режима параметров. Могут возникать различные типы нестабильности, часто возникающие из-за образования пучков ионов и электронов. Нестабильные двойные слои зашумлены в том смысле, что они создают колебания в широкой полосе частот. Отсутствие стабильности плазмы также может привести к внезапному изменению конфигурации, часто называемому взрывом (и, следовательно, взрывом двойного слоя ). В одном примере область, заключенная в двойной слой, быстро расширяется и эволюционирует. Взрыв этого типа был впервые обнаружен в ртутных дуговых выпрямителей , используемых в мощных постоянного тока линий электропередачи, где был замечен падение напряжения на устройстве , чтобы увеличить на несколько порядков. Двойные слои также могут дрейфовать, обычно в направлении испускаемого электронного пучка , и в этом отношении являются естественными аналогами гладкоствольного магнетрона.
  • Намагниченная плазма : двойные слои могут образовываться как в намагниченной, так и в немагнитной плазме.
  • Ячеистая природа : хотя двойные слои относительно тонкие, они распространяются по всей поперечной поверхности лабораторного контейнера. Точно так же, когда соседние области плазмы имеют разные свойства, образуются двойные слои, которые стремятся к клеточному образованию различных областей.
Двигатель на эффекте Холла . Электрические поля, используемые в плазменных двигателях (в частности, в двухслойных двигателях Helicon ), могут иметь форму двойных слоев.
  • Передача энергии : Двойные слои могут способствовать преобразованию электрической энергии в кинетическую, dW / dt = I • ΔV, где I - электрический ток, рассеивающий энергию в двойном слое с падением напряжения ΔV. Альфвен указывает, что ток вполне может состоять исключительно из частиц с низкой энергией. Torvén et al. постулировали, что плазма может спонтанно преобразовывать накопленную в магнитном поле энергию в кинетическую энергию двойными электрическими слоями. Однако не было представлено надежного механизма для производства таких двойных слоев. Ионные двигатели могут обеспечить более прямой случай передачи энергии от противоположных потенциалов в виде двойных слоев, создаваемых внешним электрическим полем.
  • Наклонный двойной слой : наклонный двойной слой имеет электрические поля, не параллельные окружающему магнитному полю; т.е. он не выровнен по полю.
  • Моделирование : Двойные слои могут быть смоделированы с использованием кинетических компьютерных моделей, таких как моделирование частиц в ячейках (PIC). В некоторых случаях плазма рассматривается как по существу одномерная или двумерная, чтобы уменьшить вычислительные затраты на моделирование.
  • Критерий Бома : двойной слой не может существовать ни при каких обстоятельствах. Чтобы создать электрическое поле, которое исчезает на границах двойного слоя, критерий существования гласит, что существует максимум температуры окружающей плазмы. Это так называемый критерий Бома.
  • Биофизическая аналогия : модель двойных слоев плазмы была использована для исследования их применимости для понимания транспорта ионов через мембраны биологических клеток. Бразильские исследователи отметили, что «такие понятия, как нейтральный заряд , длина Дебая и двойной слой , очень полезны для объяснения электрических свойств клеточной мембраны ». Физик плазмы Ханнес Альфвен также отметил эту связь двойных слоев с клеточной структурой, как и Ирвинг Ленгмюр до него, который ввел термин «плазма» из-за его сходства с клетками крови.

История

В плазме с низкой плотностью локализованные области пространственного заряда могут создавать большие перепады потенциала на расстояниях порядка нескольких десятков длин Дебая. Такие области получили название двойных электрических слоев . Двойной электрический слой - это простейшее распределение пространственного заряда, которое дает падение потенциала в слое и исчезающее электрическое поле с каждой стороны слоя. В лаборатории двойные слои изучаются уже полвека, но их важность в космической плазме не получила всеобщего признания.

-  Ханнес Альфвен ,
Группа двойных слоев, образующихся в форме волны Альфвена , примерно в шестой части расстояния слева. Нажмите, чтобы узнать больше

Еще в 1920-х годах было известно, что плазма имеет ограниченную способность поддерживать ток. Ирвинг Ленгмюр в лаборатории охарактеризовал двойные слои и назвал эти структуры двойными оболочками. В 1950-х годах в лаборатории началось тщательное изучение двойных слоев. Многие группы все еще работают над этой темой теоретически, экспериментально и численно. Впервые было предложено Ханнесом Альфвеном (разработчиком магнитогидродинамики на основе лабораторных экспериментов), что полярное сияние или северное сияние создается электронами, ускоренными в магнитосфере Земли. Он предположил, что электроны ускоряются электростатически под действием электрического поля, локализованного в небольшом объеме, ограниченном двумя заряженными областями, и так называемый двойной слой будет ускорять электроны в направлении Земли. С тех пор другие механизмы, включающие взаимодействия волн и частиц, были предложены как возможные на основе обширных пространственных и временных исследований характеристик авроральных частиц in situ .

Многие исследования магнитосферы и областей полярных сияний были выполнены с помощью ракет и спутников. Макилвейн обнаружил во время полета ракеты в 1960 году, что энергетический спектр авроральных электронов имеет пик, который тогда считался слишком резким, чтобы быть произведенным случайным процессом, и, следовательно, предполагал, что ответственным является упорядоченный процесс. В 1977 году сообщалось, что спутники обнаружили характерные черты двойных слоев как электростатические удары в магнитосфере. Показания электрических полей, параллельных силовым линиям геомагнитного поля, были получены спутником «Викинг», который измеряет структуры дифференциального потенциала в магнитосфере с помощью датчиков, установленных на штангах длиной 40 м. Эти датчики измеряли локальную плотность частиц и разность потенциалов между двумя точками, расположенными на расстоянии 80 м друг от друга. Были измерены асимметричные колебания потенциала относительно 0 В, которые интерпретировались как двойной слой с чистым потенциалом внутри области. Двойные слои магнитосферы обычно обладают прочностью (предполагается, что температура электронов находится в заданном диапазоне ) и, следовательно, являются слабыми. Ряд таких двойных слоев будет иметь тенденцию сливаться, подобно цепочке стержневых магнитов, и рассеиваться даже в разреженной плазме. Еще предстоит объяснить, как любое общее локализованное распределение заряда в виде двойных слоев может обеспечить источник энергии для авроральных электронов, выбрасываемых в атмосферу.

Интерпретация данных космического аппарата FAST показала наличие сильных двойных слоев в области аврорального ускорения. Андерссон и др. Также сообщили о сильных двойных слоях в области нисходящего течения. Предполагалось, что параллельные электрические поля с амплитудами, достигающими почти 1 В / м, ограничены тонким слоем примерно 10 дебаевских длин. Утверждается, что структуры двигались «примерно с ионно-акустической скоростью в направлении ускоренных электронов, т. Е. Против Земли». Это поднимает вопрос о том, какую роль, если таковые имеются, могут играть двойные слои в ускорении авроральных электронов, которые выбрасываются в атмосферу из магнитосферы.

Возможная роль самих высыпающихся электронов с энергией 1-10 кэВ, генерирующих такие наблюдаемые двойные слои или электрические поля, редко рассматривалась или анализировалась. Точно так же редко решается общий вопрос о том, как такие двойные слои могут быть созданы из альтернативного источника энергии или каким пространственным распределением электрического заряда может быть изменение чистой энергии. В лабораторных условиях доступен внешний источник питания.

В лаборатории двойные слои можно создавать на разных устройствах. Они исследуются в двойных плазменных машинах, тройных плазменных машинах и Q-машинах . Стационарные потенциальные структуры, которые можно измерить в этих машинах, очень хорошо согласуются с тем, что можно было бы ожидать теоретически. Пример лабораторного двойного слоя можно увидеть на рисунке ниже, взятом из работы Торвена и Линдберга (1980), где мы можем увидеть, насколько четко определено и ограничено падение потенциала двойного слоя в двойной плазменной машине. Один из интересных аспектов эксперимента Торвена и Линдберга (1980) заключается в том, что они не только измерили потенциальную структуру в двойной плазменной машине, но также обнаружили высокочастотные флуктуирующие электрические поля на стороне высокого потенциала двойного слоя. (также показано на рисунке). Эти флуктуации, вероятно, связаны с взаимодействием пучка с плазмой вне двойного слоя, которое вызывает турбулентность плазмы. Их наблюдения согласуются с экспериментами Волверка (1993) по электромагнитному излучению, испускаемому двойными слоями в двойной плазменной машине, который, однако, также наблюдал излучение самого двойного слоя.

Мощность этих флуктуаций имеет максимум около плазменной частоты окружающей плазмы. Позже сообщалось, что электростатические высокочастотные флуктуации вблизи двойного слоя могут быть сосредоточены в узкой области, иногда называемой ВЧ-спайком. Впоследствии было замечено, что из этой области исходят как радиоизлучение, близкое к плазменной частоте, так и свистящие волны на гораздо более низких частотах. Подобные свистовые волновые структуры наблюдались вместе с электронными лучами около Энцелада , спутника Сатурна , что указывает на возможное присутствие двойного слоя на меньшей высоте.

Одним из последних достижений в лабораторных экспериментах с двойным слоем является исследование так называемых ступенчатых двойных слоев. Было замечено, что падение потенциала в плазменном столбе можно разделить на разные части. Переходы из одинарного двойного слоя в двух-, трех- и более ступенчатые двойные слои сильно чувствительны к граничным условиям плазмы.

В отличие от лабораторных экспериментов, концепция таких двойных слоев в магнитосфере и любая роль в создании полярного сияния страдает от того, что до сих пор не было идентифицированного устойчивого источника энергии. Однако электрический потенциал, характерный для двойных слоев, может указывать на то, что те, что наблюдаются в авроральной зоне, являются вторичным продуктом высыпания электронов, которые были возбуждены другими способами, например, электростатическими волнами. Некоторые ученые предположили роль двойных слоев в солнечных вспышках. Косвенное установление такой роли еще труднее проверить, чем постулирование двойных слоев как ускорителей авроральных электронов в магнитосфере Земли. Даже там были подняты серьезные вопросы об их роли.

Смотрите также

Сноски

внешние ссылки

использованная литература

  • Альфвен Х., К теории магнитных бурь и полярных сияний , Теллус, 10, 104, 1958.
  • Ператт А., Физика плазменной Вселенной , 1991.
  • Рааду М., А., Физика двойных слоев и их роль в астрофизике , Physics Reports, 178, 25–97, 1989.